基于共享动态Buffer的MPNoC路由器设计研究

北海职业学院 林幼文

0 引言

科学技术的快速发展，使人们对嵌入式计算机的性能有了更高的要求，通过片上网络技术的应用能够使计算机嵌入芯片中的存储器、输入/输出设备以及微处理器等单元的数据通信问题得到有效解决，不过，由于现阶段所采用的片上网络系统在资源上受到严重限制，致使片上路由器难以高效的利用缓冲资源，进而使其在应用过程中常常发生信息拥塞现象。因此，为了使片上系统变得更加高效，并且能够有效节约资源，需要对缓冲区结构进行可靠设计，以提高系统网络的容错率与吞吐率，以使缓冲资源得到高效利用。而本文通过对静态化并具备多通道的路由器结构进行分析的基础上，提出一种基于共享动态的Buffer的MPNoC路由器设计方案，以实现对缓冲资源的动态化分配与利用，以使传统片上路由器的资源利用问题得以真正解决。

1 传统路由器结构中存在的问题

在以往的路由器中主要是以静态与固态结构为主的，这也使路由器的灵活性严重缺乏，在传统路由器结构中，链路控制单元能够调节传输数据流，并利用各个输入端口中的FIFO对决策单元进行有效关联，以实现数据包能够按照既定算法来进行转发。在各个输出端口中还设置有相应的促裁器，其负责控制信号与数据包的发送。在传统路由器结构中，各个端口中的缓冲区容量是固定的，其VC通道无法交叉利用缓冲区，这也造成缓冲区资源无法进行交叉利用，从而使资源的利用效率受到了严重影响。因此，提出一种基于共享动态Buffer的MPNoC路由器设计方案，对于上述问题的解决是具有重要意义的。

2 MPNoC路由器简介

MPNoC路由器具备强运算与高集成能力，其注重于带宽、吞吐量、互连线延迟及资源利用率等问题的解决。而在MPNoC路由器中，现阶段，人们希望能够通过虫孔交换技术与虚通道技术来提高路由器的性能与缓冲资源利用效率，不过由于在高流量状态下，虚通道仲裁及分配会加大分配物理缓冲区的复杂程度，并且大量虚通道还会使数据的传输延迟大大增加，从而造成MPNoC路由器在采用静态对称缓冲结构的情况下难以对资源进行高效的利用。为此，本文便提出一种基于共享动态Buffer的MPNoC路由器设计方案。

3 基于共享动态Buffer的MPNoC路由器设计研究

基于共享动态Buffer的MPNoC路由器是以集中管理方式来对缓冲区资源进行管理的，其依据通道中的流量状况来对缓冲区中的资源进行动态性分配。通过在MPNoC路由器中引入链表来统一管理缓冲区，并由虚通道技术按照数据报文的长度来对缓冲区容量进行分配与释放，能够使缓冲资源在各种通信要求下得到充分的利用。当数据报文传输至MPNoC路由器的输入端口后，其以上一节点的输出端口来对本节点的输入端口进行确定，并经过路由计算和数据报文解析等操作的事先进行，以实现对报文在下一跳时输出端口的确定。进而优化了数据报文在MPNoC路由器中的整个多路选择仲裁过程。同时，利用开关分配的方式能够使虚通道在仲裁时的复杂程度得到有效降低。以上原理可表述成N个通道划分为N-1个虚通道，这些虚通道是依据报文在微片流入或流出时的具体情况来对缓冲资源利用进行动态申请的。并且，其还会在同一时间内对链表队列中存储的有效微片数进行更新，对报文长度和最大缓冲区容量进行确定，进而使MPNoC路由器的服务质量得以显著提高。

4 基于共享动态Buffer的MPNoC路由器的测试

对于片上网络系统，可利用VHDL语言中的寄存装置传输级以及由S2C公司所开发的dual virtex-5330 module FPGA（可编程门阵列）来实现。对于一个多通道而又具备动态缓冲功能的路由器来说，其硬件开销水平通常较低。为了对基于动态Buffer的MPNoC路由器性能进行测试，需要利用S2C功耗分析工具对大小不等的动态缓冲区中该设计方案所设计的MPNoC路由器以及静态对称缓冲结构的MPNoC路由器进行功耗与内存开销的对比实验，以获得功耗与内存开销的相应应对指标及其关联特性。并利用横坐标来对缓冲区大小以及通道宽度进行表述，由纵坐标来对功耗和内存开销进行表述。

经实验对比分析可知，基于共享动态Buffer的MPNoC路由器相比于静态对称缓冲结构的MPNoC路由器来说，在内存开销上要明显低于后者，这是因为该设计方案的内存结构决定的，其内存能够依据流量大小情况来对缓冲资源进行动态性调整，以实现缓冲资源的有效分配。当缓冲区容量增加时可以了解到，静态对称缓冲结构的MPNoC路由器所存在的局限性会使其功耗与内存开销显著增加。为了对基于共享动态Buffer的MPNoC路由器工作效率进行检验，以随机均匀流通信环境对该设计方案和静态对称缓冲结构的MPNoC路由器在对数据包进行传输时的服务质量进行仿真对比，为此，采用路由器的不同拓扑结构来构建16节点的2D-Mesh仿真环境，缓冲容量为8微片，并结合XY路由算法以及虫洞交换技术来进行仿真实验。仿真实验结果表明，本设计方案所设计的MPNoC路由器相比于静态路由器来说，在数据包传输服务质量上要显著高于后者，静态路由器中的缓冲区在全部占满后，会使数据包传输发生阻塞，而对于动态MPNoC路由器来说，其缓冲区的链表管理要具备高度的灵活性，能够使缓冲资源得到有效利用，进而降低阻塞问题的发生几率，降低了数据包的传输延迟。分别对动态MPNoC路由器与静态路由器在热点流量与均匀流量两种模式下的平均信息延迟进行对比分析，2D-Mesh网络拓扑结构节点均设置成16个，并利用XY维路由策略，采用8微片的信息长度，并对路由器的端口及虚通道数量均设置成5与4，由横坐标来表述两种MPNoC路由器在各节点中各个周期所具备的信息注入率，由纵坐标来表述两种MPNoC路由器的平均信息延时，表述结果表明，当负载状态为轻度与中度时，动态MPNoC路由器与静态MPNoC路由器之间所产生的信息延迟不具备较大差异，而当负载状态为高流量时，动态MPNoC路由器所产生的平均信息延时要比静态MPNoC路由器低的多，特别是在热点流量信息注入时，其延迟性能要好的多。

5 结语

为了对以往路由器中存在缓冲资源无法交叉使用、易出现拥堵以及缓冲资源利用不高效的问题进行解决，本文提出一种基于动态Buffer的MPNoC路由器设计方案，该设计方案能够依据各通道在运行过程中的通信率情况来对缓冲区进行动态分配，从而实现了各通道中缓冲资源的交叉使用与高效共享，有效降低了信息在传输过程中出现拥塞的问题，而且在内存开销以及功率消耗上要低的多，能够有效降低信息延迟，从而使网络性能得到全方位的提高。

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